Современные представления о возникновении жизни на Земле

Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Ставропольская государственная
медицинская академия» Министерства здравоохранения и социального
развития Российской Федерации
КАФЕДРА БИОЛОГИИ С ЭКОЛОГИЕЙ
А.Б. Ходжаян, Н.Н. Федоренко, Л.А. Краснова
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О ВОЗНИКНОВЕНИИ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
(ДОПОЛНЕННОЕ)
СТАВРОПОЛЬ,
2009
УДК 57:575.
Современные представления о возникновении жизни на Земле.
Методическое пособие для студентов 1-го курса СтГМА/ - Издание 2-е,
дополненное. - Ставрополь. Изд.: СтГМА, 2009, -11 с.
В настоящем пособии представлены основные гипотезы
происхождения жизни на Земле, главные этапы ее возникновения и
развития, появления клетки как исходной точки биологической эволюции.
Пособие может быть рекомендовано для студентов 1-го курса
медицинской академии, так как соответствует программным вопросам
изучения раздела «Общая характеристика жизни».
Составители: д.м.н., проф. А.Б. Ходжаян к.м.н., доц. Н.Н.Федоренко
к.м.н., доц. Л.А.Краснова
Рецензент: к.пед.н., доцент кафедры общей биологии
СГУ Р.Н. Мищенко
© Ставропольская государственная
медицинская академия, 2009
2
Современные представления о возникновении жизни на Земле.
В современной биологии вопрос о возникновении жизни является
одним из наиболее актуальных и сложных. Его решение имеет не только
важное общепознавательное значение, но оно необходимо для понимания
особенностей организации живых организмов на нашей планете и их
эволюции
Предыстория возникновения нашей
планеты такова, что около 20 млрд. лет
назад в просторах Вселенной возникло
большое водородное облако, которое под
воздействием
сил
гравитации
/сил
тяготения/
стало
сжиматься
и
гравитационная энергия стала переходить в
тепловую.
Облако
разогрелось
и
превратилось в звезду. Когда температура
внутри этой звезды достигла миллионов градусов, начались ядерные реакции
превращения водорода в гелий путем объединения четырех ядер водорода в
ядро гелия. Этот процесс сопровождался выделением энергии. Однако, в силу ограниченности запасов водорода ядерные реакции в какой-то период
времени приостановились, давление внутри звезды стало ослабевать и уже
ничто не препятствовало силам гравитации. Звезда начала сжиматься. Это
вызвало новый подъем температуры и гелий стал превращаться в углерод. Но
поскольку гелий горит быстрее водорода, тепловое давление, преодолев
силы гравитации, привело к тому, что звезда снова начала расширяться. На
этот период она состояла из ядра, в котором горел гелий, и гигантской оболочки, состоящей преимущественно из водорода. Ядра гелия при этом
объединялись с ядрами углерода, а затем неона, магния, кремния, серы и т. д.
Когда в звездах догорают остатки ядерного горючего, некоторые
звезды взрываются. Во время взрыва происходит синтез тяжелых химических
элементов. Небольшая их часть, смешиваясь с водородом, выбрасывается в
Космос. Образующиеся из этих выбросов звезды с самого начала содержат
не только водород, но и тяжелые элементы. Вот из такого выброса,
примерно, 5 млрд. лет назад образовалась и солнце. Оставшаяся при этом
часть газово-пылевого облака удерживалась гравитационными силами, и
вращалось вокруг Солнца. Его наиболее близкая к Солнцу часть сильно
согревалась, поэтому из нее улетучивался газ, а из оставшейся части газовопылевой материи образовались такие планеты, как Земля, Марс, Меркурий и
Венера.
Таким образом, образование химических элементов в недрах. Звезд это закономерный процесс эволюции материи. Однако, для дальнейшей
эволюции в направлении возникновения и развития жизни необходимы
условия, благоприятные для развития жизни. Таких требуемых условий
несколько. Установлено, что жизнь может развиваться на планете, масса
3
которой не будет превышать определенной величины. Так, если масса планеты
превысит 1/20 часть Солнца, на ней начнутся интенсивные ядерные реакции,
поднимется температура и она начнет светиться. В то же время планеты с
малой массой, типа Луны и Меркурия, в силу слабой интенсивности тяготения
не способны удерживать в течение длительного времени атмосферу,
необходимую для развития жизни. Из шести планет солнечной системы этому
условию отвечает только Земля и в меньшей степени Марс.
Вторым важным условием является относительное постоянство и
оптимум радиации, получаемой планетой от центрального светила. Для
этого планета должна иметь орбиту, приближающуюся к круговой. Само же
светило должно характеризоваться относительным постоянством излучения.
Этим условиям тоже удовлетворяет только Земля.
Одним из важных условий возникновения жизни является отсутствие в
атмосфере на начальных этапах зарождения жизни свободного кислорода,
который, взаимодействуя с органическими веществами, разрушает их.
По мнению Ч. Дарвина, жизнь может возникнуть на планете только в
отсутствии жизни. В противном случае уже существующие на Земле
микроорганизмы использовали бы для собственной жизнедеятельности любые
вновь возникающие органические вещества.
Возраст Земли, как и всей солнечной системы, составляет 4,6 - 5 млрд.
лет, поэтому жизнь вряд ли может быть старше этого срока.
В настоящее время существует несколько гипотез, объясняющих
возникновение жизни на Земле. Их можно классифицировать на две группы:
креационистические и естественно - материалистические.
Согласно креационистическим взглядам, жизнь возникла в результате
какого-то сверхъестественного акта божественного творения в, прошлом. Их
придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных
религиозных учений. Процесс божественного сотворения мира мыслится как
имевший место единожды и потому не доступный для наблюдения. Такое
трактование происхождения жизни носит догматический, не требуя
доказательства, характер.
Среди естественно-материалистических концепций наиболее научно
значимыми являются две гипотезы: теория панспермии и эволюционная
теория.
Теория панспермии выдвигает идею о внеземном происхождении
жизни. Ее основоположником был С. Аррениус, который еще в 1907 году
высказал мысль о том, что жизнь на нашу планету была занесена в виде спор
бактерий с космической пылью, благодаря давлению солнечных или звездных
лучей.
Позже изучение метеоритов и комет показало присутствие в них
некоторых органических соединений. Однако, доводы в пользу их
биологической природы пока не кажутся ученым достаточно
убедительными.
4
В наши дни высказывается идея неземного происхождения жизни,
аргументируя это появлением НЛО /неопознанных летающих объектов/ и
древними наскальными рисунками, похожими на изображение ракет и
космонавтов.
Однако такого рода гипотезы не решают проблемы по существу, так
как они не объясняют, каким образом возникла жизнь в других местах
Вселенной.
Наиболее общепризнанной в настоящее время
является гипотеза А.И. Опарина, выдвинутая им в 1924
году. Сущность ее состоит в том, что жизнь на Земле
явилась следствием процесса усложнения химических
соединений до уровня возникновения абиогенным путем
органических соединений и образования живых
организмов, находящихся во взаимодействии с
окружающей средой. То есть жизнь - это результат
химической эволюции на нашей планете. Позже в 1929
году аналогичное предположение было выдвинуто и
английским ученым Дж. Холдейном. В соответствии с
Опарин А.И.
гипотезой Опарина - Холдейна в происхождении жизни
на Земле можно выделить шесть основных этапов:
1. Образование первичной атмосферы из газов, послуживших основой
для синтеза органических веществ.
2. Абиогенное образование органических веществ (таких мономеров, как аминокислоты, мононуклеотиды, сахара).
3. Полимеризация мономеров в
полимеры - полипептиды и полинуклеотиды.
4.
Образование
протобионтов
предбиологических форм сложного химического
состава, имеющих некоторые свойства живых существ.
5. Возникновение примитивных клеток.
6. Биологическая эволюция возникших
живых существ. Задолго до начала возникновения
жизни Земля была холодной, но в дальнейшем
стала
разогреваться,
благодаря
распаду
содержащихся в ее недрах радиоактивных
элементов. Когда ее температура достигла 1000°
С и более, начали плавиться породы и
перераспределяться химические элементы: самые
тяжелые из них оставались знизу, более легкие
располагались в середине, а самые легкие - на
поверхности. Происходили всевозможные химические реакции, скорость
которых увеличивалась с подъемом температуры. Среди продуктов этих
5
реакций было много газов, которые вырывались из недр Земли и формировали
первичную атмосферу. В ней содержалось много пара, окиси углерода,
сероводорода; метана, аммиака и др. Молекулярного кислорода почти не
было, так как он окислял различные вещества и не доходил до поверхности
Земли. Не было в первичной атмосфере, видимо, и молекулярного азота. Он
образовался позже в результате окисления аммиака Кислородом. В то же
время в первичной атмосфере было много углерода - основного элемента
органических веществ.
Когда интенсивность радиоактивных,
радиохимических и химических реакций
пошла на убыль, началось охлаждение планеты, однако, ее поверхность еще долго
оставалась горячей. В этот период были
частыми и сильными извержения вулканов,
изливалась лава, и вырывались раскаленные
газы. Образовались горы и глубокие впадины.
Когда температура Земли стала ниже
100.° С, начались тысячелетние проливные дожди. Вода заполнила все
впадины,
образуя
моря
и
океаны. В воде растворялись газы атмосферы и вещества, которые
вымывались из поверхностных слоев Земли.
В этот период Солнце светило ярче, были частыми и сильными грозы,
что служило мощным источником энергии, необходимой для протекания
разнообразных химических реакций между веществами, растворенными в
первобытном океане. И на каком-то этапе в водах океана появились простые
органические соединения. Этот момент нашел подтверждение в
экспериментах ряда ученых. Так, в 1953 году американский ученый Стэнли
Миллер, моделируя условия, предположительно существовавшие на
первобытной Земле, показал возможность абиогенного синтеза, то есть без
участия живых организмов органических веществ таких, как: аминокислоты,
карбоновые кислоты азотистые основания, АТФ. В качестве источника
энергии Миллер использовал электрические разряды. Сходные результаты
были получены к отечественными учеными А. Г Патынским и Т. Е.
Павловской под действием ультрафиолетовых лучей, количество которых на
начальных этапах существования Земли, вероятно, было значительно больше.
Образующиеся абиогенным путем органические вещества накапливались в водах мирового океана, образуя "первичный бульон", а также
адсорбировались на поверхности глиняных отложений, что создавало условия
для их полимеризации. Вторым этапом в зарождении жизни на Земле стала
полимеризация низкомолекулярных органических соединений, образующих
полипептиды.
Известно, что реакции полимеризации не идут при обычных условиях.
Однако, как показали исследования, полимеризация может происходить при
6
замораживании или при нагревании "первичного бульона".
Последнее был подтверждено экспериментально. Так, К. Фокс,
нагревая сухую смесь аминокислот до 130° С, показал возможность
полимеризации. При этих условиях вода испаряется и получается искусственно созданный протеиноид. Было выявлено, что растворенные в воде
протеиноиды обладают слабой ферментативной активностью. Из этого
следует, что, видимо, полученные абиогенным путем аминокислоты
"первичного бульона", концентрируясь в испаряющихся водоемах,
высушивались под действием солнечных лучей и формировали
белковоподобные вещества-протеиноиды.
Следующим шагом по пути возникновения жизни стало образование
фазовообособленных открытых систем - коацерватов, которые можно
рассматривать как предшественников клеток - протобионтов. По мнению А.
И. Опарина этот процесс происходил в силу присущей всем
высокомолекулярным
веществам
способности
самопроизвольно
концентрироваться не в виде осадка, а в виде отдельных капель высокомолекулярных веществ - коацерватов в присутствии электролитов.
Благодаря более высокой концентрации органических веществ в коацерватах,
а, следовательно, более тесному расположению их молекул, резко
увеличивалась возможность их взаимодействия и расширялись возможности
органического синтеза.
Коацерваты проявляют свойства, внешне напоминающие свойства
живых систем. Они могут поглощать из окружающей среды различные
вещества, что напоминает питание. В результате поглощения веществ
коацерваты увеличиваются в размере, что напоминает рост организмов. При
некоторых условиях вступающие в химические реакции вещества могут
выделять в окружающую среду свои продукты. Крупные коацерватные капли
могут распадаться на более мелкие, что напоминает размножение. Между
ними происходят взаимодействия, напоминающие борьбу за существование.
Таким образом, коацерваты некоторым свойствам внешне напоминают
живые образования. Однако, в них отсутствует основной признак живого это генетически закрепленная способность воспроизведения себе подобных и
упорядоченный обмен с окружающей средой.
Эволюция протобионтов шла по пути возникновения более сложно
организованных систем - протоклеток, у которых происходило усовершенствование каталитической функции белков, формирование реакции
матричного синтеза и на основе последнего воспроизведение себе подобных,
возникновение клеточных мембран с избирательной проницаемостью и
стабилизация параметров обмена веществ. Протоклетки в большом
количестве накапливались в водоемах, усекаясь на дно, где они оказывались
защищенными от губительного действия ультрафиолетовых, лучей. В пользу
этого представления говорит находка американского ученого Неги, который
обнаружил органические микроструктуры в осадочных породах, имеющих
7
возраст 3,7 млрд. лет. Подобные структуры были найдены и в южноафриканских осадочных породах, возраст которых составляет 2,2 млрд. лет. Это
говорит о том, что эволюция протоклеток продолжалась в течение огромного
периода времени. В эту раннюю эпоху у протоклеток появились и
эволюционировали генетический и белковосинтезирующий аппараты, а также
наследуемый обмен веществ.
В проблеме происхождения есть много не решенных до конца вопросов; 1) возникновение полупроницаемых мембран клетки; 2) возникновение рибосом; 3) возникновение генетического кода, универсального
для всего живого на Земле; 4) возникновение энергетического механизма летки
с использованием АТФ и другое.
Первые организмы были гетеротрофами, поглощающими органические
вещества первичного океана. Однако по мере размножения организмов запасы
органических веществ иссякали, а синтез новых не поспевал за
потребностями. Началась борьба за пищу, когда выживали более стойкие и
более приспособленные.
Случайно приобретаемые в результате наследственной изменчивости
особенности строения и обмена веществ привели к появлению первых клеток.
При этом в условиях все уменьшающихся запасов органических веществ у
некоторых организмов возникла способность к самостоятельному синтезу
органических веществ из простых неорганических соединений окружающей
среды. Энергию, необходимую для этого, некоторые организмы стали
освобождать путем простейших химических реакций окисления и
восстановления. Так возник хемосинтез. Позже на базе наследственной
изменчивости и отбора возник такой важный ароморфоз, как фотосинтез.
Таким образом, у части живых существ произошла переориентировка на
усвоение энергии Солнца. Это были прокариоты типа сине-зеленых
водорослей и бактерий. И лишь 1500 млн. лет назад возникли первые
эукариоты - как гетеротрофные, так и
аутотрофные организмы, давшие начало
современным группам живых существ.
С развитием фотосинтеза в
атмосфере стал накапливаться свободный
кислород и возник новый путь
освобождения энергии - Кислородное
расщепление. Кислородный процесс в 20
раз эффективнее бескислородного, что
создало предпосылки к быстрому
прогрессивному развитию организмов.
Увеличение количества О2 в атмосфере и его ионизация с образованием
озонового слоя уменьшили количество ультрафиолетовой радиации,
достигающей Земли. Это повысило устойчивость преуспевающих форм жизни
и создало предпосылки выхода их на сушу.
8
В настоящее время общепризнано, что вскоре после возникновения жизни
она разделилась на три корня - надцарства архебактерий, эу-бактерий и
'эукариот. Больше всего черт, присущих протоорганизмам, сохранили
архебактерий. Они обитают в бескислородных илах, концентрированных
растворах соли, горячих вулканических источниках. Согласно симбиотической
гипотезе, основой для эволюции эукариот послужило объединение крупных
безъядерных прокариотических клеток, живущих за счет брожения, с
аэробными бактериями, Способными использовать кислород при помощи
процесса дыхания. По-видимому, такой симбиоз был взаимовыгодным и
закрепился на наследственной основе.
Надцарство эукариот разделилось на царства растений, животных и
грибов.
Основные вехи истории жизни на Земле, знаменующиеся грандиозными
геологическими событиями, обозначаются эрами и периодами. Их возраст
определяется методом радиоактивных изотопов. В геологической истории граница
между эрами и периодами наиболее резко разделяется кембрийским периодом
палеозойной эры. Предшествующее этому периоду время называют докембрием, а
оставшиеся 11 периодов от кембрия и до современности объединяется общим
названием фанерозой ( в переводе с греческого «эра явной жизни»).
Одной из особенностей развития жизни на нашей планете является все
возрастающий темп эволюции живых организмов.
Развитие природы на протяжении последних 1,5-2 млн. лет происходило
при постоянно возрастающем влиянии на нее человеческого общества. Этот
период называется четвертичным или антропогеном.
Появлению современного человека (Homo sapiens sapiens) предшествовало
несколько видов человекообразных существ – гоминоидов и первобытных людей
– гоминидов. При этом биологической эволюции человека сопутствовало развитие
культуры и цивилизации.
9
ЛИТЕРАТУРА:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Вернадский В.И.
Несколько слов о ноосфере. Тр.биогеохим.
лаборатории. Т.16. М.1980 .
Иорданский Н.Н.. Развитие жизни на Земле. М., Просвещение,1981.
Камшилов М.М.. Эволюция биосферы. М., Наука, 1974
Опарин А.И. Возникновение и начальное развитие жизни. Изд-во
«Медицина». М.-1966.
Петров К.М. Экология человека и культура: Учеб. пособие. – СПб:
Химиздат, 1999.
Фокс С., Дозе К. Молекулярная эволюция и возникновение жизни.
М., Мир, 1975.
Шмальгаузен И.И. Пути и закономерности эволюционного
процесса. Избранные труды. М.: Наука, 1983.
10
Современные представления о возникновении жизни на Земле
Методическое пособие для студентов 1-го курса СтГМА.
Издание 2-е, дополненное
Составители: д.м.н., проф. А.Б. Ходжаян,
к.м.н., доц. Н.Н.Федоренко,
к.м.н., доц. Л.А. Краснова
ЛР №020326 от 20января 1997г.
Сдано в набор 12.07.09. Подписано в печать 12.07.09.Формат 60х901/16
Бумага типог. №1. Печать офсетная. Гарнитура офсетная. Усл. печ.
л.3,3.
Уч.-изд.л. 3,5. Заказ 224. Тираж 100.
Ставропольская государственная медицинская академия,
355017, г.Ставрополь, ул. Мира,310.
11